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WO2000012940A1 - Method for operating a gas turbine and corresponding gas turbine - Google Patents

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WO2000012940A1
WO2000012940A1 PCT/DE1999/002531 DE9902531W WO0012940A1 WO 2000012940 A1 WO2000012940 A1 WO 2000012940A1 DE 9902531 W DE9902531 W DE 9902531W WO 0012940 A1 WO0012940 A1 WO 0012940A1
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WO
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burner
pilot
gas turbine
burners
hybrid
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Application number
PCT/DE1999/002531
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German (de)
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Inventor
Stefan Hoffmann
Michael Kessler
Germann Scheer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to DE59906025T priority patent/DE59906025D1/en
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Priority to US09/795,097 priority patent/US6425239B2/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F23R3/343—Pilot flames, i.e. fuel nozzles or injectors using only a very small proportion of the total fuel to insure continuous combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/34—Feeding into different combustion zones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/96—Preventing, counteracting or reducing vibration or noise

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a
  • Gas turbine with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber also relates to a gas turbine with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber.
  • DE 196 37 725 AI describes a method and a device for the combustion of fuel with air in a combustion chamber.
  • the air is supplied to the combustion chamber through at least one air inlet and the fuel is supplied through several burners.
  • Each burner has a characteristic phase response, for example an associated delay time, corresponding to a time period after which an acoustic pulse in the combustion chamber causes a thermal pulse when the fuel supplied via this burner is burned.
  • the supply of the fuel via the burners is controlled in such a way that the delay times of the burners are significantly different from one another.
  • the delay time of a burner corresponds to a phase difference at the location of the burner between an acoustic vibration in the combustion chamber and a thermal vibration at the burner.
  • combustion vibrations are caused by the interaction between the acoustics of the combustion chamber and a thermal power release during combustion. These combustion vibrations can lead to high noise pollution or even mechanical damage.
  • combustion vibrations emanating from the individual burners can counteract reinforce each other. Because different amounts of fuel are supplied to the burners, the delay times for the burners are different. The delay time of a burner in a combustion chamber is made up of different summands, each of which can be traced back to individual components of the system consisting of burner, combustion chamber and flame.
  • the summands related to the burner and the combustion chamber are mainly determined by the geometry of the burner and the combustion chamber; a summand that can be traced back to the flame itself is largely determined by the properties of the combustion itself.
  • the summand itself can be further broken down into a convective delay time, which characterizes a transport time for the transport of the reactants to the flame front where the combustion begins, a heating time which specifies the time for the heating of the reactants to the temperature required for ignition, and a reaction kinetic delay time, which is determined by the course of the combustion itself.
  • the convective delay time clearly outweighs the other two summands. Different delay times for the various burners mean that the combustion vibrations emanating from the individual burners no longer reinforce one another.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a burner arrangement in which combustion vibrations are largely suppressed.
  • Another object of the invention is to provide a gas turbine which has favorable properties, in particular with regard to a low tendency to form combustion vibrations.
  • the object directed to a method is achieved by a method for operating a burner arrangement with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber, each hybrid burner having a pilot burner and a main burner and wherein a pilot fuel quantity is fed to each pilot burner, at least two of the Pilot burners are operated with a different pilot fuel quantity, and the difference in the pilot fuel quantity is set depending on an output of the burner arrangement.
  • a hybrid burner has a pilot burner and a main burner.
  • the pilot burner preferably works as a diffusion burner, i. H. Fuel and combustion air are mixed and burned in the combustion chamber by diffusion.
  • the main burner is a premix burner, i.e. H.
  • Fuel and combustion air are mixed before entering the combustion chamber and then burned. This usually ignites the fuel from the main burner on the flame of the pilot burner.
  • the burner assembly delivers power.
  • This output can, for. B. a power for a boiler or a power for driving a turbine.
  • High output rates are achieved by operating the main burner, the pilot burners being primarily responsible for stabilizing the combustion of the main burner. If the output is low, only the pilot burner can work as a diffusion burner.
  • the invention is based on the knowledge that a static supply of a different amount of fuel to the burners to suppress combustion vibrations cannot be carried out over the entire range of the possible output power, also called the load, of the burner arrangement.
  • the pilot burners When the output is low, the pilot burners usually have to be supplied with a large amount of fuel in order to stably ignite a lean fuel mixture from the main burner.
  • the supply of different pilot fuel supplies is matched to the minimum pilot fuel supply required to stabilize the combustion.
  • the burner arrangement can thus be operated stably at low loads on the one hand and on the other hand combustion vibrations can be effectively suppressed by supplying different pilot fuel quantities to at least two of the pilot burners by means of the different delay times of the pilot burners caused thereby.
  • the difference in the pilot fuel quantity preferably increases with increasing output. With increased output, a greater difference in the pilot fuel quantity can thus be set without impairing the stability of the combustion. Since disruptive combustion vibrations occur precisely at higher output powers, operating the pilot burners with different amounts of pilot fuel is particularly advantageous with regard to the suppression of combustion vibrations.
  • a majority of the hybrid burners are preferably operated with one to two percent of a maximum pilot fuel quantity and the rest of the hybrid burners with five to 15 percent of the maximum pilot fuel quantity.
  • a first number of hybrid burners are preferably operated with a first pilot fuel quantity and a second number of hybrid burners with a second pilot fuel quantity, the first number being more than 4 times as large as the second Number and the second pilot fuel quantity is more than 2 times as large as the first pilot fuel quantity.
  • the large output of a gas turbine can lead to very strong combustion vibrations.
  • combustion vibrations are practically unpredictable and must be combated by additional measures.
  • the different setting of the pilot fuel quantities depending on the load offers a simple and efficient means of suppressing combustion vibrations.
  • the object directed to a gas turbine is achieved by a gas turbine having a plurality of hybrid burners in a combustion chamber, each hybrid burner having a pilot burner and a main burner and wherein a pilot fuel quantity can be fed to each pilot burner, a control unit for load-dependent control of the supply of differently sized pilot fuel quantities at least two of the pilot burners are provided.
  • 1 shows a gas turbine with an annular combustion chamber and 2 shows a longitudinal section through a hybrid burner.
  • a gas turbine 1 which is directed along an axis 3 Compressor 5, an annular combustion chamber 7 and a turbine 9.
  • a plurality of hybrid burners 11 are arranged along a circumference of the annular combustion chamber 7.
  • a fuel feed line 13 for pilot fuel leads to each hybrid burner 11.
  • a control unit 15 is connected in part of the fuel feed lines 13.
  • the control unit 15 could also be connected to all of the fuel supply lines 13.
  • a signal line 17 also leads to the control unit 15.
  • the gas turbine 1 can be operated at different output powers or loads.
  • the power release from the combustion of fuel and combustion air leads to an output of the gas turbine 1.
  • a signal is fed to the control unit 15 via the signal line 17, which signal reflects the size of an instantaneous output of the gas turbine 1.
  • the control unit 15 regulates the pilot fuel quantity in the connected fuel supply lines 13.
  • the control unit 15 does not necessarily have to be connected directly to the fuel supply lines 13. You could also control valves which are arranged in the fuel supply lines 13.
  • the control unit 15 delivers at least two of the hybrid burners 11 a different amount of pilot fuel. This different pilot fuel quantity results in 11 different delay times for these hybrid burners.
  • a hybrid burner 11 is shown schematically in a longitudinal section in FIG.
  • the hybrid burner 11 has a central pilot burner 21.
  • the pilot burner 21 is supplied with a pilot fuel quantity 23 via a fuel supply line 13 and combustion air 24 via an air duct 22.
  • the pilot burner 21 is surrounded concentrically by a main burner 25 in the form of an annular channel.
  • a premixed fuel-air stream 27 is guided in this and ignites on a pilot flame 29 of the pilot burner 21.
  • a control unit 15 is connected to the fuel supply line 13. Depending on a signal from a signal line 17, this regulates the amount of pilot fuel 23 supplied in the combustion supply line 13. This regulation takes place depending on the output of a gas turbine, not shown here, in which the hybrid burner 11 is installed.
  • the maximum amount of pilot fuel 23 is supplied to the pilot burner 21 in order to stably ignite a relatively lean fuel / air mixture 27 in the main burner 25 by means of an intense pilot flame 29. With a higher output, a richer mixture results for the fuel air flow 27.
  • a somewhat smaller pilot fuel quantity 23 is sufficient to maintain a stable combustion of the fuel / air mixture 27 with the aid of the pilot flame 29.
  • a small part of the hybrid burners is operated with an increased amount of pilot fuel compared to the remaining hybrid burners 11. This effectively suppresses combustion vibrations.

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Abstract

The invention relates to a gas turbine (1) comprising a plurality of hybrid burners (11), each of which has a pilot burner (21) and a main burner (25), wherein a different quantity of fuel (23) is fed to the pilot burner (21) depending on the load of the gas turbine (1). This provides stable operation of the gas turbine (1) during low loads and effectively suppresses combustion vibrations during high loads.

Description

Beschreibungdescription
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine und GasturbineProcess for operating a gas turbine and gas turbine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einerThe invention relates to a method for operating a
Gasturbine mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern m einer Brennkammer. Die Erfindung betrifft außerdem eine Gasturbine mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern m einer Brennkammer.Gas turbine with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber. The invention also relates to a gas turbine with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber.
Das Prinzip eines Hybridbrenners ist beschrieben in dem Artikel „Progress in Nox and CO Emission Reduction of Gas Turbi- nes", H. Maghon, P. Behrenbnnk, . Termuehlen und G. Gärtner, ASME/IEEE Power Generation Conference, Boston, October 1990.The principle of a hybrid burner is described in the article "Progress in No x and CO Emission Reduction of Gas Turbines", H. Maghon, P. Behrenbnnk,. Termuehlen and G. Gärtner, ASME / IEEE Power Generation Conference, Boston, October 1990.
In der DE 196 37 725 AI sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbrennung von Brennstoff mit Luft in einer Brennkammer beschrieben. Der Brennkammer werden durch zumindest einen Lufteinlaß die Luft und durch mehrere Brenner der Brennstoff zugeführt. Dabei hat jeder Brenner einen charakteristischen Phasengang, z.B. eine zugehörige Verzugszeit, entsprechend einer Zeitdauer, nach der ein akustischer Impuls in der Brennkammer einen thermischen Impuls bei der Verbrennung des über diesen Brenner zugefuhrten Brennstoffes hervorruft. Die Zufuhrung des Brennstoffes über die Brenner wird derart gesteuert, daß die Verzugszeiten der Brenner wesentlich verschieden untereinander sind. Die Verzugszeit eines Brenners entspricht einem Phasenunterschied am Ort des Brenners zwischen einer akustischen Schwingung m der Brennkammer und ei- ner thermischen Schwingung am Brenner. Solche Verbrennungsschwingungen werden durch die Wechselwirkung zwischen der Akustik der Brennkammer und einer thermischen Leistungsfreisetzung bei der Verbrennung hervorgerufen. Diese Verbrennungsschwingungen können zu hohen Larmbelastungen oder gar zu mechanischen Beschädigungen fuhren. Bei einer Anordnung mit mehreren Brennern m einer Brennkammer können sich von den einzelnen Brennern ausgehende Verbrennungsschwingungen gegen- seitig verstärken. Dadurch, daß den Brennern unterschiedlich große Brennstoffmengen zugeführt werden, werden die Verzugszeiten für die Brenner unterschiedlich. Die Verzugszeit eines Brenners in einer Brennkammer setzt sich zusammen aus ver- schiedenen Summanden, die jeweils auf einzelnen Komponenten des Systems aus Brenner, Brennkammer und Flamme zurückführbar sind. Die auf den Brenner und die Brennkammer beziehbaren Summanden bestimmen sich hauptsächlich durch die Geometrie von Brenner und Brennkammer; ein auf die Flamme selbst zu- rückführbarer Summand ist wesentlich durch die Eigenschaften der Verbrennung selbst bestimmt. Der Summand selbst läßt sich weiter zerlegen in eine konvektive Verzugszeit, die eine Transportzeit für den Transport der Reaktionspartner zur Flammenfront, wo die Verbrennung einsetzt, charakterisiert, eine Aufheizungszeit, welche die Zeit für die Aufheizung der Reaktionspartner auf die zur Zündung erforderliche Temperatur angibt, sowie eine reaktionskinetische Verzugszeit, welche durch den Ablauf der Verbrennung selbst bestimmt ist. In der Regel überwiegt die konvektive Verzugszeit die beiden anderen Summanden deutlich. Unterschiedliche Verzugszeiten bei den verschiedenen Brennern führen dazu, daß sich die von den einzelnen Brennern ausgehenden Verbrennungsschwingungen nicht mehr gegenseitig verstärken.DE 196 37 725 AI describes a method and a device for the combustion of fuel with air in a combustion chamber. The air is supplied to the combustion chamber through at least one air inlet and the fuel is supplied through several burners. Each burner has a characteristic phase response, for example an associated delay time, corresponding to a time period after which an acoustic pulse in the combustion chamber causes a thermal pulse when the fuel supplied via this burner is burned. The supply of the fuel via the burners is controlled in such a way that the delay times of the burners are significantly different from one another. The delay time of a burner corresponds to a phase difference at the location of the burner between an acoustic vibration in the combustion chamber and a thermal vibration at the burner. Such combustion vibrations are caused by the interaction between the acoustics of the combustion chamber and a thermal power release during combustion. These combustion vibrations can lead to high noise pollution or even mechanical damage. In an arrangement with several burners in a combustion chamber, combustion vibrations emanating from the individual burners can counteract reinforce each other. Because different amounts of fuel are supplied to the burners, the delay times for the burners are different. The delay time of a burner in a combustion chamber is made up of different summands, each of which can be traced back to individual components of the system consisting of burner, combustion chamber and flame. The summands related to the burner and the combustion chamber are mainly determined by the geometry of the burner and the combustion chamber; a summand that can be traced back to the flame itself is largely determined by the properties of the combustion itself. The summand itself can be further broken down into a convective delay time, which characterizes a transport time for the transport of the reactants to the flame front where the combustion begins, a heating time which specifies the time for the heating of the reactants to the temperature required for ignition, and a reaction kinetic delay time, which is determined by the course of the combustion itself. As a rule, the convective delay time clearly outweighs the other two summands. Different delay times for the various burners mean that the combustion vibrations emanating from the individual burners no longer reinforce one another.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum Betrieb einer Brenneranordnung, bei dem Verbrennungsschwingun- .gen weitgehend unterdrückt werden. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Gasturbine, die insbesondere hinsichtlich einer geringen Neigung zur Ausbildung von Verbren- nungsSchwingungen günstige Eigenschaften aufweist.The object of the invention is to provide a method for operating a burner arrangement in which combustion vibrations are largely suppressed. Another object of the invention is to provide a gas turbine which has favorable properties, in particular with regard to a low tendency to form combustion vibrations.
Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern in einer Brennkammer, wobei jeder Hybridbrenner einen Pilotbrenner und einen Hauptbrenner aufweist und wobei jedem Pilotbrenner eine Pilot- brennstoffmenge zugeleitet wird, wobei mindestens zwei der Pilotbrenner mit einer unterschiedlichen Pilotbrennstoffmenge betrieben werden, und wobei der Unterschied in der Pilot- brennstoffmenge abhängig von einer Abgabeleistung der Brenneranordnung eingestellt wird.According to the invention, the object directed to a method is achieved by a method for operating a burner arrangement with a plurality of hybrid burners in a combustion chamber, each hybrid burner having a pilot burner and a main burner and wherein a pilot fuel quantity is fed to each pilot burner, at least two of the Pilot burners are operated with a different pilot fuel quantity, and the difference in the pilot fuel quantity is set depending on an output of the burner arrangement.
Ein Hybridbrenner weist einen Pilotbrenner und einen Hauptbrenner auf. Der Pilotbrenner arbeitet vorzugsweise als ein Diffusionsbrenner, d. h. Brennstoff und Verbrennungsluft werden in der Brennkammer durch Diffusion gemischt und ver- brannt. Der Hauptbrenner ist ein Vormischbrenner, d. h.A hybrid burner has a pilot burner and a main burner. The pilot burner preferably works as a diffusion burner, i. H. Fuel and combustion air are mixed and burned in the combustion chamber by diffusion. The main burner is a premix burner, i.e. H.
Brennstoff und Verbrennungsluft werden vor Eintritt in die Brennkammer vermischt und anschließend verbrannt. Dabei entzündet sich in der Regel das Brennstoffge isch des Hauptbrenners an der Flamme des Pilotbrenners.Fuel and combustion air are mixed before entering the combustion chamber and then burned. This usually ignites the fuel from the main burner on the flame of the pilot burner.
Die Brenneranordnung gibt eine Leistung ab. Diese Abgabeleistung kann z. B. eine Leistung für einen Heizkessel oder eine Leistung für den Antrieb einer Turbine sein. Hohe Abgabeleistungen werden durch den Betrieb der Hauptbrenner erreicht, wobei die Pilotbrenner in erster Linie zur Stabilisierung der Verbrennung des Hauptbrenners verantwortlich sind. Bei niedrigen Abgabeleistungen kann auch ausschließlich der Pilotbrenner als Diffusionsbrenner arbeiten.The burner assembly delivers power. This output can, for. B. a power for a boiler or a power for driving a turbine. High output rates are achieved by operating the main burner, the pilot burners being primarily responsible for stabilizing the combustion of the main burner. If the output is low, only the pilot burner can work as a diffusion burner.
Wie oben beschrieben, kann es bei einer solchen Brenneranordnung zur Ausbildung einer VerbrennungsSchwingung kommen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine statische Zuführung einer unterschiedlichen Brennstoffmenge zu den Brennern zu einer Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen nicht über den ganzen Bereich der möglichen Abgabeleistung, auch Last genannt, der Brenneranordnung durchführbar ist. Bei niederen Abgabeleistungen müssen die Pilotbrenner in der Regel mit einer hohen Brennstoffmenge versorgt werden, um ein mageres Brennstoffgemisch des Hauptbrenners stabil zu zünden. Indem nun bei mindestens zwei der Pilotbrenner die jeweils zugeführten Pilotbrennstoffmengen abhängig von der Abgabeleistung der Brenneranordnung eingestellt werden, ergibt sich eine Verstimmung der Brenner untereinander, angepaßt an den jeweiligen Betriebszustand. Die Zufuhr unterschiedlicher Pi- lotbrennstoff engen ist abgestimmt auf die zur Stabilisierung der Verbrennung erforderliche Mindestpilotbrennstoff enge . Die Brenneranordnung ist somit einerseits stabil bei niederen Lasten betreibbar und andererseits sind Verbrennungsschwingungen durch die Zufuhr unterschiedlicher Pilotbrennstoffmengen zu mindestens zwei der Pilotbrenner mittels der dadurch bewirkten unterschiedlichen Verzugszeiten der Pilotbrenner wirksam unterdrückbar.As described above, such a burner arrangement can lead to the formation of a combustion oscillation. The invention is based on the knowledge that a static supply of a different amount of fuel to the burners to suppress combustion vibrations cannot be carried out over the entire range of the possible output power, also called the load, of the burner arrangement. When the output is low, the pilot burners usually have to be supplied with a large amount of fuel in order to stably ignite a lean fuel mixture from the main burner. By adjusting the pilot fuel quantities supplied to at least two of the pilot burners depending on the output of the burner arrangement, this results in a detuning of the burners to one another, adapted to the respective operating state. The supply of different pilot fuel supplies is matched to the minimum pilot fuel supply required to stabilize the combustion. The burner arrangement can thus be operated stably at low loads on the one hand and on the other hand combustion vibrations can be effectively suppressed by supplying different pilot fuel quantities to at least two of the pilot burners by means of the different delay times of the pilot burners caused thereby.
Bevorzugt steigt der Unterschied in der Pilotbrennstoffmenge mit steigender Abgabeleistung an. Damit wird bei erhöhter Abgabeleistung ein größerer Unterschied in der Pilotbrennstoff- menge einstellbar, ohne die Stabilität der Verbrennung zu beeinträchtigen. Da es gerade bei höheren Abgabeleistungen zu störenden Verbrennungsschwingungen kommt, ist hier ein Betrieb der Pilotbrenner mit unterschiedlicher Pilotbrennstoffmenge hinsichtlich der Unterdrückung von Verbrennungschwin- gungen besonders vorteilhaft.The difference in the pilot fuel quantity preferably increases with increasing output. With increased output, a greater difference in the pilot fuel quantity can thus be set without impairing the stability of the combustion. Since disruptive combustion vibrations occur precisely at higher output powers, operating the pilot burners with different amounts of pilot fuel is particularly advantageous with regard to the suppression of combustion vibrations.
Bevorzugt wird bei Maximallast der Gasturbine ein Großteil der Hybridbrenner mit ein bis zwei Prozent einer maximalen Pilotbrennstoffmenge und der Rest der Hybridbrenner mit fünf bis 15 Prozent der maximalen Pilotbrennstoffmenge betrieben.At maximum load of the gas turbine, a majority of the hybrid burners are preferably operated with one to two percent of a maximum pilot fuel quantity and the rest of the hybrid burners with five to 15 percent of the maximum pilot fuel quantity.
Bevorzugtermaßen werden bei Abgabeleistungen oder Lasten oberhalb von 60% der Maximalabgabeleistung der Brenneranordnung eine erste Anzahl der Hybridbrenner mit einer ersten Pi- lotbrennstoffmenge und eine zweite Anzahl der Hybridbrenner mit einer zweiten Pilotbrennstoffmenge betrieben, wobei die erste Anzahl mehr als 4 mal so groß wie die zweite Anzahl und die zweite Pilotbrennstoffmenge mehr als 2 mal so groß wie die erste Pilotbrennstoffmenge ist. Bei Abgabeleistungen oberhalb von 60% der Maximalabgabeleistung der Brenneranordnung reicht es aus, eine vergleichsweise geringe Anzahl der Hybridbrenner mit einer geringeren Pilotbrennstoffmenge zu betreiben, als die übrigen Hybridbrenner. Auf diese Weise wird eine Leistungsfreisetzung aus den Pilotbrennern kaum reduziert und trotzdem eine Verbrennungsschwingung wirksam unterdrückt. Vorzugsweise wird das Verfahren in einer Gastur- bine mit einer Ringbrennkammer, angewendet. Dies kann eine stationäre Gasturbine oder ein Flugtriebwerk sein. Bei den großen Abgabeleistungen einer Gasturbine kann es zu sehr starken VerbrennungsSchwingungen kommen. Gerade bei einer Ringbrennkammer sind solche VerbrennungsSchwingungen prak- tisch nicht vorhersagbar und müssen durch zusätzliche Maßnahmen bekämpft werden. Die lastabhängig unterschiedliche Einstellung der Pilotbrennstoffmengen bietet hier ein einfaches und effizientes Mittel zur Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen .In the case of output powers or loads above 60% of the maximum output power of the burner arrangement, a first number of hybrid burners are preferably operated with a first pilot fuel quantity and a second number of hybrid burners with a second pilot fuel quantity, the first number being more than 4 times as large as the second Number and the second pilot fuel quantity is more than 2 times as large as the first pilot fuel quantity. With output powers above 60% of the maximum output power of the burner arrangement, it is sufficient to allow a comparatively small number of hybrid burners with a lower pilot fuel quantity operate than the other hybrid burners. In this way, a release of power from the pilot burners is hardly reduced and combustion oscillation is effectively suppressed. The method is preferably used in a gas turbine with an annular combustion chamber. This can be a stationary gas turbine or an aircraft engine. The large output of a gas turbine can lead to very strong combustion vibrations. In a ring combustion chamber in particular, such combustion vibrations are practically unpredictable and must be combated by additional measures. The different setting of the pilot fuel quantities depending on the load offers a simple and efficient means of suppressing combustion vibrations.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Gasturbine gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Gasturbine mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern in einer Brennkammer, wobei jeder Hybridbrenner einen Pilotbrenner und einen Hauptbrenner aufweist und wobei jedem Pilotbrenner eine Pilotbrennstoffmenge zuleitbar ist, wobei eine Steuereinheit zur lastabhängigen Steuerung der Zufuhr unterschiedlich großer Pilotbrennstoffmengen zu mindestens zwei der Pilotbrenner vorgesehen ist.According to the invention, the object directed to a gas turbine is achieved by a gas turbine having a plurality of hybrid burners in a combustion chamber, each hybrid burner having a pilot burner and a main burner and wherein a pilot fuel quantity can be fed to each pilot burner, a control unit for load-dependent control of the supply of differently sized pilot fuel quantities at least two of the pilot burners are provided.
Vorteile einer solchen Gasturbine ergeben sich entsprechend den Ausführungen zu den Vorteilen des Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbine.Advantages of such a gas turbine result from the explanations regarding the advantages of the method for operating a gas turbine.
Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert: Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:The invention is explained in more detail in an exemplary embodiment with reference to the drawings, which show schematically and not to scale:
FIG 1 eine Gasturbine mit einer Ringbrennkammer und FIG 2 einen Längsschnitt durch einen Hybridbrenner.1 shows a gas turbine with an annular combustion chamber and 2 shows a longitudinal section through a hybrid burner.
FIG 1 zeigt eine entlang einer Achse 3 gerichtete Gasturbine 1. Entlang der Achse 3 hintereinander angeordnet sind ein Verdichter 5, eine Ringbrennkammer 7 und eine Turbine 9. Entlang eines Umfanges der Ringbrennkammer 7 sind eine Vielzahl von Hybridbrennern 11 angeordnet. Zu jedem Hybridbrenner 11 führt eine BrennstoffZuleitung 13 für Pilotbrennstoff. In ei- nen Teil der BrennstoffZuleitungen 13 ist eine Steuereinheit 15 geschaltet. Die Steuereinheit 15 könnte auch in alle der Brennstoffzufuhrleitungen 13 geschaltet sein. Zur Steuereinheit 15 führt weiterhin eine Signalleitung 17.1 shows a gas turbine 1 which is directed along an axis 3 Compressor 5, an annular combustion chamber 7 and a turbine 9. A plurality of hybrid burners 11 are arranged along a circumference of the annular combustion chamber 7. A fuel feed line 13 for pilot fuel leads to each hybrid burner 11. A control unit 15 is connected in part of the fuel feed lines 13. The control unit 15 could also be connected to all of the fuel supply lines 13. A signal line 17 also leads to the control unit 15.
Die Gasturbine 1 kann bei unterschiedlichen Abgabeleistungen oder Lasten betrieben werden. Die Leistungsfreisetzung aus einer Verbrennung von Brennstoff und Verbrennungsluft führt zu einer abgegebenen Leistung der Gasturbine 1. Über die Signalleitung 17 wird der Steuereinheit 15 ein Signal zuge- führt, welches die Größe einer momentanen Abgabeleistung der Gasturbine 1 wiedergibt. Aufgrund dieses Ξignales regelt die Steuereinheit 15 die Pilotbrennstoffmenge in den angeschlossenen Brennstoffzufuhrleitungen 13. Die Steuereinheit 15 braucht nicht notwendigerweise direkt mit den Brennstoffzu- fuhrleitungen 13 verbunden zu sein. Sie könnte auch Ventile ansteuern, welche in den Brennstoffzufuhrleitungen 13 angeordnet sind. Durch die Steuereinheit 15 wird mindestens zwei der Hybridbrenner 11 eine unterschiedliche Pilotbrennstoffmenge zugestellt. Durch diese unterschiedliche Pilotbrenn- stoffmenge ergeben sich für diese Hybridbrenner 11 unterschiedliche Verzugszeiten. Die Verzugszeiten kennzeichnen dabei einen Phasenunterschied zwischen einer akustischen Schwingung in der Brennkammer 7 und einer Schwingung einer thermischen Leistungsfreisetzung am jeweiligen Hybridbren- ner 11. Durch die unterschiedlichen Verzugszeiten werden diese Phasenlagen so geändert, daß sich Verbrennungsschwingungen, welche von den einzelnen Hybridbrennern 11 ausgehen, sich gegenseitig schwächen, zumindest aber nicht gegenseitig verstärken. Hierdurch wird eine Unterdrückung der Ausbildung einer Verbrennungsschwingung erreicht. In FIG 2 ist in einem Längsschnitt schematisch ein Hybridbrenner 11 dargestellt. Der Hybridbrenner 11 weist einen zentralen Pilotbrenner 21 auf. Dem Pilotbrenner 21 wird über eine Brennstoffzufuhrleitung 13 eine Pilotbrennstoffmenge 23 und über einen Luftkanal 22 Verbrennungsluft 24 zugeführt. Der Pilotbrenner 21 ist konzentrisch von einem ringkanalför- migen Hauptbrenner 25 umgeben. In diesem wird ein vorgemischter Brennstoff-Luftstrom 27 geführt, welcher sich an einer Pilotflamme 29 des Pilotbrenners 21 entzündet. In die Brenn- stoffzufuhrleitung 13 ist eine Steuereinheit 15 geschaltet. Diese regelt abhängig von einem Signal aus einer Signalleitung 17 die in der Brennzufuhrleitung 13 zugeführte Pilotbrennstoffmenge 23. Diese Regelung erfolgt dabei abhängig von der abgegebenen Leistung einer hier nicht näher dargestellten Gasturbine, in die der Hybridbrenner 11 eingebaut ist. Bei einer niederen Abgabeleistung wird dem Pilotbrenner 21 die maximale Pilotbrennstoffmenge 23 zugeführt, um damit ein relativ mageres Brennstoff Luftgemisch 27 im Hauptbrenner 25 durch eine intensive Pilotflamme 29 stabil zu zünden. Bei ei- ner höheren Leistung ergibt sich ein fetteres Gemisch für den Brennstoffluftstro 27. Somit genügt auch eine etwas kleinere Pilotbrennstoffmenge 23, um mit Hilfe der Pilotflamme 29 eine stabile Verbrennung des Brennstoff Luftgemisches 27 aufrechtzuerhalten.The gas turbine 1 can be operated at different output powers or loads. The power release from the combustion of fuel and combustion air leads to an output of the gas turbine 1. A signal is fed to the control unit 15 via the signal line 17, which signal reflects the size of an instantaneous output of the gas turbine 1. On the basis of this signal, the control unit 15 regulates the pilot fuel quantity in the connected fuel supply lines 13. The control unit 15 does not necessarily have to be connected directly to the fuel supply lines 13. You could also control valves which are arranged in the fuel supply lines 13. The control unit 15 delivers at least two of the hybrid burners 11 a different amount of pilot fuel. This different pilot fuel quantity results in 11 different delay times for these hybrid burners. The delay times characterize a phase difference between an acoustic oscillation in the combustion chamber 7 and an oscillation of a thermal power release on the respective hybrid burner 11. Due to the different delay times, these phase positions are changed in such a way that combustion oscillations which emanate from the individual hybrid burners 11 change weaken each other, but at least not reinforce each other. This suppresses the formation of a combustion oscillation. A hybrid burner 11 is shown schematically in a longitudinal section in FIG. The hybrid burner 11 has a central pilot burner 21. The pilot burner 21 is supplied with a pilot fuel quantity 23 via a fuel supply line 13 and combustion air 24 via an air duct 22. The pilot burner 21 is surrounded concentrically by a main burner 25 in the form of an annular channel. A premixed fuel-air stream 27 is guided in this and ignites on a pilot flame 29 of the pilot burner 21. A control unit 15 is connected to the fuel supply line 13. Depending on a signal from a signal line 17, this regulates the amount of pilot fuel 23 supplied in the combustion supply line 13. This regulation takes place depending on the output of a gas turbine, not shown here, in which the hybrid burner 11 is installed. When the output is low, the maximum amount of pilot fuel 23 is supplied to the pilot burner 21 in order to stably ignite a relatively lean fuel / air mixture 27 in the main burner 25 by means of an intense pilot flame 29. With a higher output, a richer mixture results for the fuel air flow 27. Thus, a somewhat smaller pilot fuel quantity 23 is sufficient to maintain a stable combustion of the fuel / air mixture 27 with the aid of the pilot flame 29.
Ein kleiner Teil der Hybridbrenner wird mit einer gegenüber den restlichen Hybridbrennern 11 erhöhten Pilotbrennstoffmenge betrieben. Dies bewirkt eine effiziente Unterdrückung von Verbrennungsschwingungen. A small part of the hybrid burners is operated with an increased amount of pilot fuel compared to the remaining hybrid burners 11. This effectively suppresses combustion vibrations.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (1) mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern (11) in einer Brennkammer, wobei je- der Hybridbrenner (11) einen Pilotbrenner (21) und einen1. Method for operating a gas turbine (1) with a plurality of hybrid burners (11) in a combustion chamber, each hybrid burner (11) having a pilot burner (21) and one
Hauptbrenner (25) aufweist und wobei jedem Pilotbrenner (21) eine Pilotbrennstoffmenge (23) zugeleitet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens zwei der Pilotbrenner (21) mit einer unterschiedlichen Pilotbrennstoffmenge (23) betrieben werden, wobei der Unterschied in der Pilotbrennstoffmenge (23) abhängig von der Last der Gasturbine (1) eingestellt wird.Has main burner (25) and each pilot burner (21) is supplied with a pilot fuel quantity (23), characterized in that at least two of the pilot burners (21) are operated with a different pilot fuel quantity (23), the difference in the pilot fuel quantity (23) depending is set by the load of the gas turbine (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Unterschied in der Pilotbrennstoffmenge (23) mit steigender Last ansteigt.2. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the difference in the pilot fuel amount (23) increases with increasing load.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Maximallast der Gasturbine (1) ein Großteil der Hybridbrenner (11) mit ein bis zwei Prozent einer maximalen Pilotbrennstoffmenge (23) und der Rest der Hybridbrenner (11) mit fünf bis 15 Prozent der maximalen Pilotbrennstoffmenge (23) be- trieben werden.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at maximum load of the gas turbine (1) a large part of the hybrid burner (11) with one to two percent of a maximum pilot fuel amount (23) and the rest of the hybrid burner (11) with five to 15 percent the maximum pilot fuel quantity (23) can be operated.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Lasten oberhalb von XX% der Maximallast der Gasturbine (1) eine erste Anzahl der Hybridbrenner (11) mit einer ersten Pilotbrennstoffmenge (23) und eine zweite Anzahl der Hybridbrenner (11) mit einer zweiten Pilotbrennstoffmenge (23) betrieben werden, wobei die erste Anzahl mehr als XX-mal so groß wie die zweite Anzahl und die zweite Pilotbrennstoff- menge (23) mehr als XX-mal so groß wie die erste Pilotbrennstoffmenge (23) ist. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at loads above XX% of the maximum load of the gas turbine (1) a first number of hybrid burners (11) with a first amount of pilot fuel (23) and a second number of hybrid burners (11) a second pilot fuel quantity (23) are operated, the first number being more than XX times as large as the second number and the second pilot fuel quantity (23) being more than XX times as large as the first pilot fuel quantity (23).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbine (1) eine Ringbrennkammer (7) aufweist.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the gas turbine (1) has an annular combustion chamber (7).
6. Gasturbine (1) mit einer Mehrzahl von Hybridbrennern (11) in einer Brennkammer (7) , wobei jeder Hybridbrenner (11) einen Pilotbrenner (21) und einen Hauptbrenner (25) aufweist und wobei jedem Pilotbrenner (21) eine Pilotbrennstoffmenge (23) zuleitbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Steuereinheit (15) zur lastabhängigen Steuerung der Zufuhr unterschiedlich großer Pilotbrennstoffmengen (23) zu mindestens zwei der Pilotbrenner (21) vorgesehen ist. 6. Gas turbine (1) with a plurality of hybrid burners (11) in a combustion chamber (7), each hybrid burner (11) having a pilot burner (21) and a main burner (25) and each pilot burner (21) having a pilot fuel quantity (23 ) can be supplied, characterized in that a control unit (15) is provided for load-dependent control of the supply of pilot fuel quantities (23) of different sizes to at least two of the pilot burners (21).
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